Tooriumituumad juhivad kella, kristallid nihutavad seda

Viinis ja Pekingis ehitatud kellades hoiab laserkiire sagedust esimest korda paigal aatomi elektronide asemel selle tuum. Töörühmad teatasid tulemusest 7. oktoobril ajakirjas Nature (Reuters). Tooriumituuma ülemineku signaal korrigeerib laserit pidevalt ja annab füüsikutele uue mõõteriista. Kristallid, milles toorium paigal püsib, tekitavad aga väikeseid sagedusnihkeid, mistõttu ei saa kella veel usaldusväärse ajamõõtjana kasutada.

Iga kell vajab rütmi ja korrigeerimist. Pendel kõigub ning kellassepp parandab käiku, kui see triivib. Aatomkellas teeb seda füüsika: laserit võrreldakse pidevalt ülemineku sagedusega. Üleminek on hüpe kahe energiataseme vahel, mille käigus aatom neelab kindla sagedusega valgust. See sagedus püsib väga ühtlane, kuigi aatomi ümbrus võib seda veidi nihutada.

Tavalises aatomkellas teeb hüppe elektron. Toorium-229 on erandlik, sest selle tuumas leidub üleminek, mida saab ergastada ultraviolettlaseriga. Enamik tuumaüleminekuid vajab palju suurema energiaga kiirgust. Tuumad on ka väga väikesed, mistõttu peaksid võõrad elektri- ja magnetväljad neid põhimõtteliselt vähem mõjutama kui ümbritsevaid elektrone (Physics World).

Kuidas tuum kella juhib

Mõlemad töörühmad paigutasid toorium-229 väikesesse kaltsiumfluoriidi kristalli ja suunasid sellest läbi kitsa sagedusvahemikuga ultraviolettlaseri. Täpselt sobiva sageduse juures neelavad tuumad veidi rohkem valgust. Juhtsüsteem nihutab laserit neeldumisjoone keskme mõlemale poole, teeb kindlaks, kummal pool keskpunkti sagedus on, ja korrigeerib selle tagasi keskme suunas (Viini Nature’i artikkel, Hiina töörühma Nature’i artikkel).

See töötab nagu sõidurea hoidmise süsteem autos. Kaamera jälgib teemärgistust ning süsteem teeb väikeseid rooliparandusi, et auto püsiks sõidurajal. Kellal täidab kaamera rolli neeldumissignaal ja laserit juhitakse selle põhjal.

Uus samm on tagasiside: laserit korrigeeritakse signaali järgi jooksvalt. Varasemates katsetes oli üleminek laseriga juba 2024. aastal esile kutsutud (Physical Review Letters). Siis tuvastati signaal sageli ergastatud tuumade aeglase järelhelenduse kaudu, mis saabus laserit hetkhaaval korrigeerimiseks liiga hilja. Raadiojaama leidmine ja sellele häälestatuks jäämine on eri ülesanded; otsene neeldumissignaal on teiseks piisavalt kiire.

Töörühmad jõudsid tulemuseni teineteisest sõltumatult. TU Wien kirjeldab seadet isestabiliseeruva tuumakellana (TU Wien), Hiina tööd juhtis Tsinghua University (Tsinghua). Kaks sõltumatut katset kinnitavad sama põhimõtet tugevamalt kui üks.

Stabiilne, kuid veel mitte piisavalt täpne

Kellateadlased hindavad kaht eri omadust. Stabiilsus näitab, kui ühtlaselt kell käib. Selles jäävad mõlemad prototüübid praegu alla kasutusel olevatele optilistele aatomkelladele. Täpsus näitab, kas kell käib õigest sagedusest mööda. Kell võib tiksuda ühtlaselt, aga olla näiteks viis minutit ette keeratud.

Kristallid mõjutavad kella täpsust. Iga tooriumituum paikneb kristallis eri kohas ning kohalik pinge või kristalliviga võib selle iseloomulikku sagedust nihutada. Seetõttu võib tulemus sõltuda sellest, millisest kristalliosast laser läbi läheb. Pekingi töörühm leidis julgustava märgi: kahes eraldi kasvatatud kristallis mõõdetud sagedused olid väga sarnased (Hiina töörühma Nature’i artikkel). Kumbki töörühm pole veel esitanud täielikku ülevaadet kõigist mõjudest, mis sagedust kallutada võivad.

Tumeaine otsingul

Ebatäiuslikuna pakub kell füüsikutele juba praegu uusi võimalusi. Mõne teooria järgi võib tumeaine, nähtamatu aine, mis moodustab suurema osa universumi massist, mõjutada õrnalt ja korrapäraselt jõude, mis neid sagedusi määravad. Tuumakell ja elektronidel põhinev kell reageeriksid sellele erinevalt, nii et nende tiksumissageduste suhe võnguks korrapäraselt.

Viini töörühm käivitas tooriumikella tavapärase aatomkella kõrval ja otsis seda võnkumist. Signaali ei leitud. Autorite sõnul välistab tulemus mõned kindlad tumeaine mudelid, mitte tumeaine olemasolu üldiselt (Viini Nature’i artikkel).

Sekundi ametlik määratlus põhineb endiselt tseesiumiaatomitel (BIPM) ning prototüübid seda lähiajal ei muuda. Katsetega näidati, et tuum suudab töötavat kella juhtida. Usaldusväärse ajamõõtjani jõudmine sõltub nüüd kristallidest, mis hoiavad tooriumit sagedust mõjutamata. Selle probleemi saavad lahendada just Viini ja Pekingi kristallikasvatajad.